近年來(lái)，巖土工程大變形數(shù)值仿真分析方法迅猛發(fā)展。該方法既能模擬評(píng)估巖土工程的穩(wěn)定性，為實(shí)際工程提供設(shè)計(jì)支撐的基礎(chǔ)，同時(shí)能進(jìn)一步模擬工程結(jié)構(gòu)破壞形式、失效過(guò)程等，評(píng)價(jià)工程失穩(wěn)所造成的危害。為推動(dòng)大變形數(shù)值仿真分析方法在實(shí)際工程的應(yīng)用，中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所王頔助理研究員、陳昊博士后及其團(tuán)隊(duì)成員開(kāi)發(fā)了一套自主化國(guó)產(chǎn)軟件，該軟件基于物質(zhì)點(diǎn)法（MPM）、離散單元法（DEM）和傳統(tǒng)有限元法（FEM），結(jié)合圖形加速處理技術(shù)（GPU），構(gòu)建了高效的巖土工程大變形數(shù)值仿真分析平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了諸如新磨村滑坡等大變形失效過(guò)程的高效模擬（如圖1）。

　　目前，巖土工程大變形數(shù)值模擬方法仍存在一些缺陷，特別是對(duì)巖土體失效機(jī)制的模擬和分析方面。已有數(shù)值模擬方法多注重于宏觀評(píng)估巖土工程問(wèn)題的穩(wěn)定性、破壞形式、失效過(guò)程等，通常采用唯象本構(gòu)模型和連續(xù)性介質(zhì)假設(shè)對(duì)巖土體進(jìn)行模擬。這些方法雖然能把握巖土體的物理力學(xué)響應(yīng)，但缺乏對(duì)巖土體內(nèi)部作用機(jī)制的捕捉，難以充分刻畫(huà)內(nèi)在失效機(jī)制；另一方面，基于離散介質(zhì)的數(shù)值模擬方法能較好地描述土體顆粒層面的微觀機(jī)制，但在處理實(shí)際工程問(wèn)題時(shí)受到計(jì)算成本的限制。因此，工程尺度邊坡失效破壞過(guò)程仍缺乏有效的模擬方法和深入的機(jī)制研究。

　　針對(duì)這一現(xiàn)狀，該套自主化國(guó)產(chǎn)軟件新增了基于MPM-DEM耦合的多尺度數(shù)值分析模塊，開(kāi)發(fā)了一種基于MPM-DEM耦合的層級(jí)多尺度數(shù)值模擬方法（如圖2），并將其應(yīng)用于三軸實(shí)驗(yàn)?zāi)M、邊坡破壞分析等方面，旨在全面了解邊坡失效和破壞后的巖土體宏微觀響應(yīng)機(jī)制。一方面，該方法在傳統(tǒng)物質(zhì)點(diǎn)法（MPM）的基礎(chǔ)上引入Affine-particle-in-cell (APIC)速度更新格式和B樣條基函數(shù)，提高了宏觀模擬的穩(wěn)定性；另一方面，引入了代表性體積單元（RVE）替代本構(gòu)模型，捕捉巖土體微觀物理力學(xué)演化機(jī)制。通過(guò)在顆粒間使用Coulomb摩擦定律和Johnson-Kendall-Robert（JKR）粘聚力模型再現(xiàn)微觀顆粒的摩擦和粘結(jié)效應(yīng)。

　　基于該層級(jí)多尺度數(shù)值模擬方法，模擬再現(xiàn)了不同摩擦、粘結(jié)、級(jí)配特性下邊坡的大變形失效過(guò)程，探究了邊坡大變形失效過(guò)程中滑帶內(nèi)部土體的微觀失效機(jī)制。多尺度分析顯示：滑帶破壞中，坡趾處的土體受到剪切作用強(qiáng)烈，而頂部破壞作用則受到拉伸作用（如圖3）；基于該方法對(duì)漸進(jìn)式邊坡破壞過(guò)程進(jìn)行了更深入的分析，發(fā)現(xiàn)這類(lèi)失效往往由坡趾處微小的破壞引起，但可以持續(xù)發(fā)展至數(shù)公里的范圍。層級(jí)多尺度方法模擬分析結(jié)果顯示：土壤的流動(dòng)破壞與顆粒材料的剪切破壞相關(guān)，而宏觀剪切帶的發(fā)展通常伴隨著拉伸破壞（如圖4）。由于剪切和拉伸破壞是摩擦和粘聚材料的典型破壞機(jī)制，可以推斷摩擦和粘聚效應(yīng)在不同的漸進(jìn)式破壞模式中起到關(guān)鍵作用。因此，通過(guò)進(jìn)一步探究微觀顆粒粘結(jié)和摩擦作用力的分布規(guī)律，提出了一個(gè)微觀描述參數(shù) 來(lái)量化摩擦和粘聚之間的相互作用。進(jìn)一步的分析證明： 可以捕捉摩擦和粘聚的效應(yīng)，并區(qū)分不同的退步性破壞模式（如圖5）。最后，建立了一個(gè)顆粒邊坡的一系列漸進(jìn)式破壞模式云圖，其中破壞機(jī)制通過(guò)不同的主導(dǎo)效應(yīng)來(lái)解釋?zhuān)赐寥乐械哪Σ粱蛘尘郏ㄈ鐖D6）。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth和Computers and Geotechnics等國(guó)際期刊上，研究工作獲得了中國(guó)科學(xué)院青年人才項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（51979270、51709258）資助。

　　論文鏈接：

　　https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2022JB026008

　　https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0266352X22002300?via%3Dihub　

圖1 新磨村滑坡堆積模擬結(jié)果與勘探及其他模擬方法對(duì)比　　  

圖2 基于物質(zhì)點(diǎn)法-離散單元法耦合的多尺度數(shù)值模擬方法　　 

圖3 邊坡失效滑帶多尺度分析　　 

圖4 漸進(jìn)式邊坡破壞機(jī)制多尺度分析　　 

圖5 破壞模式量化指標(biāo) 與分布模式

圖6 邊坡漸進(jìn)式破壞模式分布云圖